Circuiti Amplificatori in Radioamatoriale

I circuiti amplificatori hanno il compito di elevare l’ampiezza di un segnale quando applicato al loro ingresso. Sono realizzati mediante componenti attivi (transistor, FET, MOSFET, tubi termoionici) il cui valore di amplificazione viene espresso in dB.

Macro-famiglie di Amplificatori

Gli amplificatori si suddividono in due grandi categorie:

• Amplificatori per piccoli segnali: utilizzati per amplificare, ad esempio, i segnali ricevuti dall’antenna.
• Amplificatori di potenza: utilizzati per amplificare in potenza l’uscita di un trasmettitore.

A seconda delle loro caratteristiche di linearità e di guadagno, gli amplificatori di potenza si suddividono in classi.

Classi di Funzionamento

Classe A

• Amplificatori lineari a basso rendimento (inferiore al 50%).
• Il transistor è attivo per l’intero ciclo del segnale (360°).
• Ottima linearità, bassa distorsione.
• Utilizzata per amplificatori a piccolo segnale; in TX con Mosfet di potenza come eccezione.

Classe B

• Amplificatori poco lineari di maggior rendimento (fino al 78%).
• Il transistor è attivo per metà ciclo del segnale (180°).
• Tipicamente utilizzata in configurazione push-pull, dove due transistor si alternano su ogni semiciclo.

Classe AB

• Classe intermedia tra A e B.
• Il transistor è attivo per più di 180° ma meno di 360°.
• Buon compromesso tra linearità e rendimento.
• Utilizzata tipicamente negli stadi di potenza dei trasmettitori (TX).

Classe C

• Amplificatori non lineari ad alto rendimento (si avvicina al 100%).
• Il transistor è attivo per meno di 180° del ciclo.
• Elevata distorsione: utilizzabile esclusivamente in FM (dove l’ampiezza del segnale è costante).
• Non adatta per AM o SSB dove la linearità è essenziale.

Tabella Riepilogativa

Considerazioni Pratiche

Gli stadi in classe AB sono quelli più utilizzati negli stadi di potenza dei trasmettitori, con alcune eccezioni realizzate in classe A con Mosfet di potenza. Gli amplificatori in classe C sono utilizzati esclusivamente in FM, poiché in quella modalità l’informazione è codificata nella frequenza e non nell’ampiezza del segnale.

Circuiti Oscillatori

I circuiti oscillatori sono responsabili della generazione della portante sulla quale verranno veicolate, dopo opportuni filtraggi e amplificazioni, le informazioni vocali che si intende trasmettere.

Si suddividono in due categorie:

• Armonici
• A rilassamento

Oscillatori Armonici

Gli oscillatori armonici generano un segnale sinusoidale a frequenza fissa (o variabile). L’onda sinusoidale è la forma d’onda più semplice e “pura”: varia in modo continuo e regolare nel tempo, senza bruschi cambiamenti di pendenza.

Grafico: Onda sinusoidale — forma d’onda tipica degli oscillatori armonici. L’ampiezza varia in modo continuo e periodico. In ambito radioamatoriale sono noti come:

• VFO (Variable Frequency Oscillator): oscillatore a frequenza variabile, assimilabile alla manopola di sintonia.
• BFO (Beat Frequency Oscillator): oscillatore di battimento.

Un oscillatore è costituito essenzialmente da un amplificatore con retroazione positiva: il segnale in uscita viene riportato in ingresso attraverso un filtro passa banda stretto. Il dimensionamento dei componenti reattivi che lo costituiscono ne determina la frequenza di oscillazione.

Principali tipologie di oscillatori armonici

• RC e LC
• Van der Pol
• Colpitts
• Hartley
• Meissner
• Ponte di Wien

Stabilità e Quarzi

Gli oscillatori sono sensibili alle variazioni di temperatura e di tensione, che possono far variare la frequenza di oscillazione. Quando è necessaria un’alta stabilità si ricorre agli oscillatori a quarzo (in fondamentale sino a circa 30 MHz; per frequenze maggiori si usano i quarzi in Overtone, cioè quarzi “tagliati” per esaltare le armoniche dispari, successivamente amplificate e moltiplicate per generare frequenze elevate).

Evoluzione tecnologica

Con le tecniche digitali sono stati sviluppati circuiti più avanzati:

• VCO (Voltage Controlled Oscillator): oscillatore la cui frequenza di oscillazione è controllata da una tensione esterna. È il componente centrale del PLL: variando la tensione di controllo si varia la frequenza di uscita in modo continuo e rapido.
• PLL (Phase Locked Loop): circuito ad aggancio di fase, costituito da un comparatore di fase, un VCO e una catena di divisori. Il PLL regola la tensione del VCO affinché la sua uscita rimanga agganciata a una frequenza di riferimento, combinando la flessibilità del VCO con la stabilità di un quarzo. Permette di ottenere frequenze variabili con grande stabilità.
• DDS (Direct Digital Synthesis): rappresenta l’ultima generazione di generatori sinusoidali a frequenza variabile.
• TCXO (Temperature Controlled Xtal Oscillator): quarzi ad alta stabilità controllati in temperatura, presenti negli apparati RTX di ultima generazione.

Oscillatori a Rilassamento

Gli oscillatori a rilassamento generano onde non sinusoidali, prodotte da un ciclo di carica e scarica di componenti reattivi (condensatori o induttori). Le principali forme d’onda generate sono:

Onda Quadra

L’onda quadra alterna istantaneamente tra due livelli (alto e basso). È ampiamente usata nei circuiti digitali e come segnale di clock.

Grafico: Onda quadra — approssimazione con 5 armoniche dispari (serie di Fourier). Il segnale alterna tra +1 e -1 con transizioni ripide.

Onda a Dente di Sega

L’onda a dente di sega sale linearmente fino al valore massimo, poi ricade bruscamente al minimo. È usata, ad esempio, nei circuiti di scansione orizzontale dei televisori CRT.

Grafico: Onda a dente di sega — approssimazione con 6 armoniche (serie di Fourier). La rampa sale linearmente, poi si azzera bruscamente.

Onda Triangolare

L’onda triangolare sale e scende linearmente in modo simmetrico, senza bruschi azzeramenti. A differenza della quadra, non ha discontinuità, ed è più “morbida” della sega.

Grafico: Onda triangolare — approssimazione con 4 armoniche dispari (serie di Fourier). La serie converge rapidamente grazie al fattore 1/n².

Impulsi

Un treno di impulsi è caratterizzato da brevi picchi periodici separati da lunghi intervalli a livello zero. È la forma d’onda tipica dei circuiti di temporizzazione e trigger.

Grafico: Treno di impulsi — picchi periodici molto stretti ottenuti elevando un coseno normalizzato alla decima potenza.

Un tipico esempio di oscillatore a rilassamento è il multivibratore astabile.

Mixer

Il mixer (o miscelatore) è un circuito con due ingressi e una uscita che sfrutta la non linearità dei componenti attivi per combinare matematicamente due segnali. Quando due frequenze $f_1$ e $f_2$ vengono applicate a un mixer, in uscita compaiono — tra le altre componenti — la loro somma $f_1 + f_2$ e la loro differenza $|f_1 - f_2|$.

Nei ricetrasmettitori il mixer è il cuore della conversione di frequenza: permette di traslare un segnale da una frequenza a un’altra senza alterarne il contenuto informativo. I filtri a valle del mixer selezionano quale delle due componenti utilizzare.

Circuiti Rivelatori

La rivelazione (o demodulazione) è l’operazione inversa della modulazione: consiste nell’estrarre il segnale audio originale dalla portante ricevuta. Il tipo di rivelatore deve essere scelto in base alla modalità di trasmissione.

Il rivelatore ad inviluppo è il più semplice: un diodo raddrizza il segnale AM e un filtro RC ne segue l’inviluppo, che replica il segnale audio. Funziona bene in AM ma non in FM o SSB.

Il rivelatore FM sfrutta lo sfasamento che la variazione di frequenza introduce in una rete risonante. I discriminatori Foster-Seeley e i rivelatori a rapporto (ratio detector) sono le implementazioni classiche: convertono la deviazione di frequenza in variazione di tensione, riproducendo il segnale audio.

Il rivelatore a prodotto moltiplica il segnale ricevuto per un segnale locale generato dal BFO, con la stessa frequenza della portante soppressa. È indispensabile per SSB e CW, dove la portante non è trasmessa e non si può usare un semplice rivelatore ad inviluppo.

Apparati Riceventi: la Supereterodina

L’architettura dominante nei ricevitori radioamatoriali è la supereterodina, introdotta da Armstrong nel 1918 e ancora oggi universalmente adottata. Il principio è semplice: anziché amplificare e filtrare il segnale alla frequenza ricevuta (variabile), lo si trasla a una frequenza intermedia (FI) fissa, dove amplificazione e selettività sono molto più facili da realizzare.

Il segnale percorre in sequenza questi stadi:

1. Amplificatore d’ingresso a guadagno variabile (con filtri di banda per limitare le interferenze fuori canale).
2. Oscillatore locale e mixer: il segnale ricevuto viene combinato con l’oscillatore locale per produrre la frequenza intermedia.
3. Filtri FI (medie frequenze): selezionano il canale e definiscono la selettività del ricevitore.
4. AGC / CAG (Automatic Gain Control): regola automaticamente il guadagno degli stadi precedenti per mantenere il livello audio costante al variare dell’intensità del segnale ricevuto. Può essere lenta o veloce a seconda della modalità.
5. Rivelatore: estrae il segnale audio secondo la modalità in uso (AM, FM, SSB, CW).
6. BFO (Beat Frequency Oscillator): oscillatore locale ausiliario presente nei ricevitori SSB/CW per reintrodurre la portante soppressa prima della rivelazione a prodotto.
7. RIT (Receiver Incremental Tuning): permette di spostare leggermente la frequenza di ricezione rispetto a quella di trasmissione, utile per compensare piccole derive dell’interlocutore senza cambiare la frequenza TX.
8. Squelch: silenzia l’uscita audio quando il segnale ricevuto scende sotto una soglia impostata, evitando il fruscio in assenza di traffico.
9. Noise Blanker: sopprime i disturbi impulsivi (accensioni, scariche) che si presentano come brevi picchi di ampiezza elevata; particolarmente efficace in SSB.
10. S-meter: misura la forza del segnale ricevuto. La scala va da S1 a S9 (ogni punto S corrisponde a 6 dB), poi continua in dB sopra S9: +20 dB, +40 dB, +60 dB.
11. Amplificatore di bassa frequenza (b.f.): amplifica il segnale audio demodulato fino al livello necessario per pilotare l’altoparlante o le cuffie.

Non tutti questi blocchi sono presenti in ogni ricevitore: la configurazione esatta dipende dalla modalità e dalla classe dell’apparato. Gli RTX moderni sono tipicamente “multimode” e condividono la maggior parte degli stadi (amplificatore RF, mixer, oscillatore locale, AGC, amplificatore audio) tra le varie modalità, commutando solo il filtro FI e il rivelatore a seconda della modalità selezionata. Negli apparati di ultima generazione molti di questi stadi vengono realizzati in forma digitale tramite DSP, con filtri Roofing e oscillatori DDS al posto dei circuiti analogici tradizionali.

Parametri caratteristici di un ricevitore

Prima di analizzare le singole architetture è utile capire con quali parametri si misura la qualità di un ricevitore. Questi valori compaiono tipicamente nei dati di targa degli apparati.

Il range di frequenza indica l’intervallo di frequenze coperto dal ricevitore, in ricezione continua o suddiviso per bande. Definisce quali porzioni di spettro l’apparato è in grado di ascoltare.

La sensibilità è il livello minimo di segnale ricevuto che il ricevitore riesce ancora a rendere intellegibile, ed è espressa in μV (microvolt). Un ricevitore più sensibile riesce a “sentire” stazioni più deboli: valori tipici per un buon RTX HF si aggirano intorno a 0,1–0,5 μV per SSB.

La selettività è la capacità di isolare il segnale desiderato da quelli su frequenze adiacenti. Si esprime come larghezza di banda a -6 dB (il punto a metà potenza, che delimita il “passante” utile) e a -60 dB (il punto di reiezione praticamente totale). Il rapporto tra questi due valori — detto shape factor — indica quanto ripido è il filtro: più è vicino a 1, più il filtro è rettangolare e selettivo.

La stabilità misura di quanti Hz la frequenza di lavoro del ricevitore deriva nel tempo, dopo che l’apparato ha raggiunto la temperatura di regime. Si esprime in p.p.m. (parti per milione) rispetto alla frequenza nominale: un ricevitore a 14 MHz con stabilità di 1 p.p.m. deriverebbe al massimo di 14 Hz, del tutto accettabile per SSB. La stabilità dipende principalmente dall’oscillatore locale: è qui che quarzi termo-compensati (TCXO) e oscillatori in forno (OCXO) fanno la differenza.

Esistono altri parametri più avanzati — intermodulazione di 2° e 3° ordine (IMD), blocking, mixing noise, intercept point di 3° ordine (IP3) — che caratterizzano il comportamento del ricevitore in presenza di segnali forti fuori banda. Non verranno approfonditi in questa sede.

Ricevitore AM (onde medie/corte, 0,3–3 MHz)

Il ricevitore AM è l’architettura supereterodina nella sua forma più semplice. Il segnale in ingresso viene amplificato dallo stadio RF, poi il mixer lo trasla alla frequenza intermedia di 455 kHz, valore standardizzato che permette di realizzare filtri ceramici molto selettivi e a basso costo. La banda passante del filtro FI è di circa 6 kHz (3 kHz per banda laterale), sufficiente per la voce ma stretta abbastanza da respingere le stazioni adiacenti. Il rivelatore è del tipo ad inviluppo.

Ant. → [Amp. RF] → [Mixer] → [Amp. FI  455 kHz / 6 kHz] → [Rivelatore inviluppo] → [Amp. b.f.] → 🔊
                       ↑
               [Oscillatore locale]

Ant. → [Circuito LC sintonizzato] → [Diodo a galena] → [Cuffie ad alta impedenza]
                                                               ↓
                                                           (a massa)

Ricevitore FM (VHF, 145 MHz)

Alle frequenze VHF la frequenza intermedia sale a 10,7 MHz, standard anche per la radio FM broadcast. La banda passante del filtro FI è di 25 kHz, proporzionalmente più larga perché l’FM occupa maggiore spettro. Lo stadio di amplificazione FI include un limitatore: poiché in FM l’informazione è nella frequenza e non nell’ampiezza, variazioni di ampiezza dovute al canale sono un disturbo puro — il limitatore le elimina prima del discriminatore, ed è questa la ragione dell’alta immunità ai disturbi dell’FM. Il rivelatore è un discriminatore (Foster-Seeley o ratio detector).

Ant. → [Amp. RF] → [Mixer] → [Amp./Limit. FI  10,7 MHz / 25 kHz] → [Discriminatore] → [Amp. b.f.] → 🔊
                       ↑
               [Oscillatore locale]

Ricevitore SSB (HF, 3–30 MHz)

L’SSB richiede una selettività molto più spinta rispetto all’AM: la banda occupata è di soli 3 kHz contro i 6 kHz dell’AM, e qualsiasi deriva di frequenza si traduce in distorsione della voce. Per questo i ricevitori SSB adottano tipicamente una doppia conversione.

La prima conversione porta il segnale a una frequenza intermedia alta (nell’esempio 9 MHz), dove un filtro a quarzo (XTAL) può realizzare la banda stretta di 3 kHz con ottima stabilità. La seconda conversione, tramite un oscillatore XTAL fisso a 9000 kHz, riporta il segnale a una frequenza più bassa per l’ulteriore elaborazione e la rivelazione a prodotto. La doppia conversione ha il vantaggio di eliminare quasi completamente i problemi di immagine tipici della singola conversione ad alta frequenza.

Ant. → [Amp. RF] → [Mixer] ──→ [Amp. FI  9 MHz / 3 kHz] → [Mixer] → [Amp. b.f.] → 🔊
                       ↑                                        ↑
               [Osc. locale]                           [Osc. XTAL 9000 kHz]

In SSB esiste anche la convenzione sulla banda laterale da usare: per le bande sotto i 10 MHz (40 m e inferiori) si usa per convenzione la LSB (Lower Side Band, banda laterale inferiore); sopra i 10 MHz (20 m e superiori, VHF/UHF) si usa la USB (Upper Side Band, banda laterale superiore). Non è una norma di legge ma una convenzione universalmente adottata nella comunità radioamatoriale.

Apparati Trasmittenti

Il percorso del segnale in un trasmettitore è, concettualmente, l’inverso di quello in un ricevitore: si parte dal segnale audio, lo si lavora, lo si modula su una portante e lo si amplifica fino alla potenza necessaria per irradiarlo in antenna.

I blocchi fondamentali di un trasmettitore radioamatoriale sono:

1. Microfono e filtri di b.f.: il microfono converte la voce in segnale elettrico. I filtri audio tagliano le componenti fuori banda (tipicamente sotto 300 Hz e sopra 2700 Hz) per contenere l’occupazione di spettro. Negli apparati più curati è presente anche un compressore/espansore (speech processor): comprime i picchi di voce e alza il livello medio, aumentando la “penetrazione” del segnale senza aumentare la potenza di picco.

2. Amplificatori di b.f.: portano il segnale audio al livello necessario per pilotare il modulatore.

3. Oscillatore variabile (VFO): genera la portante alla frequenza di trasmissione selezionata. Nei RTX moderni il VFO è tipicamente sintetizzato (PLL o DDS), garantendo stabilità e risoluzione fine.

4. XIT (Xit Incremental Tuning): analogo al RIT ma agisce sulla frequenza di trasmissione anziché su quella di ricezione. Permette di traslare leggermente la TX rispetto alla frequenza nominale, utile nei contest o nei collegamenti DX dove l’interlocutore opera in split. Presente solo negli apparati di livello superiore.

5. Modulatore: applica il segnale audio alla portante secondo la modalità scelta (AM, FM, SSB). In SSB il modulatore produce il segnale a banda laterale unica sopprimendo la portante e la banda laterale indesiderata.

6. Filtro SSB: seleziona la banda laterale corretta (superiore o inferiore) con grande selettività. Di solito è un filtro a quarzi o a cristalli ceramici.

7. Amplificatore di potenza: eleva il segnale modulato dalla potenza di pochi milliwatt dell’oscillatore fino ai valori finali (tipicamente 100 W per un RTX HF). Come discusso nella sezione sulle classi, opera in classe AB per AM/SSB e in classe C per FM.

8. Filtri d’antenna: posti tra l’amplificatore finale e l’antenna, sopprimono le armoniche e i prodotti di intermodulazione che l’amplificatore inevitabilmente genera. Sono obbligatori per rispettare le norme sulle emissioni spurie.

Come per i ricevitori, gli RTX moderni “multimode” condividono gran parte di questi stadi tra le varie modalità, commutando solo i blocchi strettamente legati alla modulazione (filtro SSB, tipo di modulatore, classe dell’amplificatore finale).

Trasmettitore AM (0,3–3 MHz)

In AM il segnale audio viene amplificato e poi combinato direttamente con la portante nell’amplificatore modulato: l’ampiezza della portante varia seguendo l’inviluppo audio. L’oscillatore variabile genera la portante alla frequenza di trasmissione; un amplificatore selettivo (filtro accordato) ne pulisce lo spettro prima che entri nel modulatore.

Mic → [Filtro B.f.] → [Amp. B.F.] ──────────────────────→ [Modulatore AM / Amp.] → [Ant.]
                                                                      ↑
                              [Osc. variabile 0,3–3 MHz] → [Amp. Selettivo]

La semplicità è il pregio principale: pochi stadi, nessuna conversione di frequenza. Il limite è l’efficienza: in AM piena almeno due terzi della potenza trasmessa stanno nella portante, che non porta informazione.

Trasmettitore SSB

L’SSB richiede una catena più articolata perché la portante deve essere soppressa e una delle due bande laterali eliminata. Il segnale audio pilota un modulatore bilanciato alimentato da un oscillatore a quarzo fisso (tipicamente 9 MHz): il modulatore bilanciato produce i due prodotti di intermodulazione (le due bande laterali) sopprimendo automaticamente la portante. Un filtro a quarzi a banda stretta (3 kHz) seleziona la sola banda laterale desiderata. A questo punto il segnale SSB a 9 MHz viene traslato alla frequenza di trasmissione reale dal convertitore di frequenza, pilotato dal VFO variabile.

Mic → [Amp. B.F.] → [Modulatore bilanciato / filtro 3 kHz] → [Convertitore di freq.] → [Amp. R.F.] → [Ant.]
                              ↑                                          ↑
                  [Osc. XTAL  f = 9 MHz]                        [Osc. VFO variabile]

Questa struttura — modulazione a frequenza fissa seguita da conversione — è la stessa logica della supereterodina RX, applicata al contrario. Il vantaggio è che il filtro a quarzi lavora sempre alla stessa frequenza (9 MHz), indipendentemente dalla frequenza di trasmissione finale.

Trasmettitore FM

In FM il microfono non modula un amplificatore finale ma agisce direttamente sull’oscillatore: la tensione audio varia la frequenza dell’oscillatore quarzato (tramite un varicap), producendo la deviazione di frequenza. Poiché un oscillatore a quarzo può essere deviato solo di pochi kHz, il segnale viene portato alla frequenza finale tramite una catena di moltiplicatori di frequenza — stadi non lineari che raddoppiano o triplicano la frequenza ad ogni passaggio, moltiplicando proporzionalmente anche la deviazione. L’amplificatore RF finale opera in classe C, possibile perché in FM l’ampiezza è costante.

Mic → [Amp. B.F.] → [Osc. quarzato (FM)] → [Moltiplicatori di frequenza] → [Amp. R.F.] → [Ant.]

La catena di moltiplicazione è il tratto distintivo del TX FM rispetto agli altri: non c’è mixer né conversione eterodina, solo moltiplicazioni successive che “scalano” sia la frequenza sia la deviazione fino ai valori desiderati.

Parametri caratteristici di un trasmettitore

Così come per i ricevitori, anche la qualità di un trasmettitore si valuta attraverso parametri precisi, riportati nei dati di targa dell’apparato.

Il range di frequenza in TX indica le bande e le frequenze su cui il trasmettitore è abilitato a operare. Negli RTX moderni coincide spesso con il range di ricezione, ma può essere limitato per normativa o per scelta costruttiva.

La potenza, espressa in watt p.e.p. (Peak Envelope Power, potenza di picco dell’inviluppo), misura l’intensità massima del segnale trasmesso. È il riferimento corretto per le modalità a inviluppo variabile come SSB, dove la potenza istantanea dipende dal segnale audio. I trasmettitori da base commerciali si attestano tipicamente intorno ai 100 W (alcune linee “da base” arrivano a 200 W), mentre i portatili scendono a poche decine di watt o meno.

La stabilità ha lo stesso significato visto per i ricevitori: di quanti Hz la frequenza di trasmissione deriva nel tempo dopo il riscaldamento, espressa in p.p.m. In TX è ancora più critica che in RX, perché una deriva non compensata sposta il segnale fuori dalla banda del corrispondente e causa interferenze.

La soppressione della portante, espressa in dB, indica quanto è attenuato il residuo di portante in una emissione SSB. In teoria la portante dovrebbe essere completamente assente (trasmissione a portante soppressa); in pratica il modulatore bilanciato lascia sempre un residuo. Valori tipici sono −40 dB o migliori: significa che la portante residua ha una potenza 10.000 volte inferiore al segnale utile.

La soppressione della banda laterale indesiderata, anch’essa in dB, indica quanto è attenuata la banda laterale che non deve essere trasmessa (l’altra rispetto a quella selezionata con USB/LSB). È determinata dalla selettività del filtro a quarzi: valori tipici sono −40/−50 dB.

L’indice di modulazione si applica principalmente all’AM ed è espresso in percentuale: indica la massima variazione relativa dell’ampiezza della portante rispetto al valore a riposo. Al 100% l’ampiezza oscilla tra 0 e il doppio del valore nominale — è il limite oltre il quale si genera sovramodulazione e distorsione. In FM il parametro corrispondente è la deviazione massima (in kHz), anziché una percentuale.

Altri parametri rilevanti — come il livello di emissioni spurie e armoniche — non vengono trattati in questa sede e sono reperibili nella documentazione tecnica specifica.